JP3634406B2 - Active silencer - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、音源から3次元的に伝播しようとする音響パワーそのものをアクティブに低減できる能動消音装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
各種の機器やダクトの開口部から放射される騒音は、生活環境や職場環境等を悪化させる場合が多い。このため、種々の消音対策が採られている。
【0003】
最も一般的には、図33に示すように、騒音を発生する機器8を筐体4内に収容するとともに、筐体4の開口部を遮音材5で蓋するパッシブな手法が採用されている。しかし、この方法では機器8で発生した熱を如何にして外部に排出するかが問題となる。
【0004】
このようなことから、最近では図34に示すように、アクティブな手法も採用されている。すなわち、この手法では筐体4の開口部に付加音源であるピーカ9を設置するとともに評価用マイク10を設け、評価用マイク10の近傍での騒音ができるだけ小さくなるようにスピーカ9を制御している。
【0005】
一方、ダクトの開口部から放射される騒音をアクティブな手法で消音するシステムとしては、図35に示すような能動消音装置が知られている。
【0006】
すなわち、空調ダクト6のようなものでは、音が1次元的に伝播している場合が多いので、音源8から伝播してくる音と逆相の音をスピーカ9から放射させ、干渉させて音圧を零とする。音圧零の点ができると音は音響インピーダンスの違いからその点で反射され、開口部側には伝播しなくなる。音圧零の点ができたかどうかはスピーカ9より下流位置に設置した評価用マイク10で評価する。すなわち、評価用マイク10の設置位置で音圧が零になるように消音制御器11の制御係数を決定している。なお、音源8が発生している音響を検出するには検知マイク12が使われる。
【0007】
音圧が零に近づくように自動的に制御係数を決定する手法は「適応制御システム」と呼ばれ、音が1次元的に伝播するダクト構造に対する能動消音システムではよく使われている。このように、音が1次元的に伝播する場合は音圧零の点を作って音を反射させれば、それより下流側には伝播せず、目的を達成することができる。
【0008】
ところで、図34および図35に示される能動消音装置では、筐体内やダクト内にスピーカや評価用マイクを取付ける必要がある。しかし、既存の設備や熱的に厳しい条件下におかれているガスタービンの排気ダクトのようなものでは、内部にスピーカや評価用マイクを取付けることができない。
【0009】
そこで、このような設備に対しては、たとえば排気ダクトの開口部より外側にスピーカや評価用マイクを取付けて能動消音を実施することが考えられる。
【0010】
しかしながら、この場合には、消音対象が1次元的に伝播する音ではなく、開口部を音源として開放空間に3次元的に伝播する音が消音対象となる。このため、評価用マイクの位置において音を零にしても、必ずしも全体としての騒音を低減することにはならない。たとえば、図36に示すように、評価点13を設定したとする。この評価点13で音圧を零にするように制御係数を決定しても、評価点以外の箇所では音圧を零にはできないので、全体としての音響パワーを最小にはできない。
【0011】
このように、従来の能動消音装置にあっては、音源から3次元的に伝播する音に対しては局部的にしか消音できず、全体に亘って騒音を低減できない問題があった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来の能動消音装置にあっては、音が1次元的に伝播する条件下では良好な消音効果が得られるが、音源から3次元的に伝播する音に対しては良好に消音できない問題があった。
【0013】
そこで本発明は、音源から3次元的に伝播しようとする音響パワーそのものをアクティブに低減できる能動消音装置を提供することを目的としている。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一つの例に係る能動消音装置では、音源から3次元的に放射される音と干渉させる音を放射するための複数の付加音源と、前記音源から放射された音が伝わる空間に設けられる音検知手段と、この音検知手段の出力を最小にすべく前記各付加音源を制御する制御手段とを備え、前記各付加音源と前記音検知手段とは、正三角形の各頂点に前記音源、上記付加音源、上記音検知手段がそれぞれ位置するように配置されていることを特徴としている。
【0015】
【作用】
本発明の一つの例に係る能動消音装置では、付加音源を複数、たとえば2個設けるとともに、これら付加音源と音検知手段と音源との関係位置に配慮がなされている。
【0016】
今、図1に示すように1個の音源Pに対してN個の付加音源S1 ,S2 ,…SN を付加することで全体の音響パワ―を低下させることを考える。
【0017】
付加後の全音響パワ―Wall は次式となる。
【0018】
【数1】
ただし、N+1個の音源はすべて音響の分野でいうところの呼吸球、すなわちモノポ―ル音源とする。(1) 式において、Rijは放射抵抗、Vi 、θi は音源iの振動速度、位相を表す。
【0019】
音源iの音の強さ、すなわち体積速度をAi とすると、
Ai =4 πri 2 |Vi | (ri :振動半径) …(2)
であることから、全音響パワ―Wall は、各音源の体積速度(振幅)と位相により変化することが判る。
【0020】
そこで、空間内に設置した音検知手段(評価用マイク)で音源の合成音を検出し、この音検知手段での音圧を最小にするような制御を行い、各付加音源の体積速度と位相を変化させる。
【0021】
制御後の体積速度と位相は以下の(3) 式、(4) 式、(5) 式によって決定されるので、図2に示すように、音源Pの周囲全体の音響パワ―を低減させるには音検知手段Mおよび各付加音源S1 ,S2 ,…SN の配置が重要であることが判る。
【0022】
【数2】
ただし、ρ:空気密度、ω:角振動数、hi :i番目の付加音源から音検出手段Mまでの距離、k:波数、θi :i板目の付加音源の位相、θ1 :音源Pの位相である。
【0023】
そこで、図3に示すように、2個の付加音源S1 ,S2 を設けた場合について考えて見る。
【0024】
今、2つの付加音源S1 ,S2 が同位相で、音源Pから等距離に配置されている条件のもとでは、音源Pに対する付加音源S1 ,S2 の位相θと体積速度比α(A2 /A1 )とは以下の式で表される。
【0025】
【数3】
したがって、制御後の音響パワ―低下量η(dB)は次式となる。
【0026】
【数4】
本発明の一つの例に係る能動消音装置では、たとえば図4(a) に示すように、正三角形の各頂点に音源P、付加音源S1 ,S2 、音検知手段Mがそれぞれ位置するように配置しているので、上述した制御を行うと、(6) 式および(7) 式から音源Pに対する付加音源S1 ,S2 の位相が180度、体積速度比が1/2に近づき、音源Pから涌き出した流体と同じ量だけ付加音源S1 ,S2 で吸い込ませることができ、音源Pから放射される音響パワ―そのものを最小にできることになる。
【0027】
なお、図4(b) に示すように、音源Pの両側に付加音源S1 ,S2 を配置するとともに、音源Pから十分離れ、かつ付加音源S1 ,S2 から等距離位置に音検出手段Mを配置すると、音源Pから音検出手段Mまでの距離h1 と付加音源S1 ,S2 から音検出手段Mまでの距離h2 ,h3 との差が零に近付くので、(6) 式および(7) 式における(h1 −h2 )および(h1 −h3 )の項を零に近付けることができる。したがって、この場合も上述した制御を行うと、音源Pに対する付加音源S1 ,S2 の位相が180度、体積速度比が1/2に近づき、音源Pから涌き出した流体と同じ量だけ付加音源S1 ,S2 で吸い込ませることができ、音源Pから放射される音響パワ―そのものを十分に低減できる。
【0028】
さらに、実験によると、図4(c) に示すように、音源Pの両側で、音源Pを通る線上に音源Pから距離dだけ離して付加音源S1 ,S2 を配置するとともに、同じ線上で音源Pからx=0.6 dだけ離れた位置やx>dの位置に音検出手段Mを配置して上述した制御を行なっても音源Pから放射される音響パワ―そのものを低減できる。
【0029】
また、図4(a) ,(b) ,(c) の場合、後述するように、音源Pと付加音源S1 ,S2 との間の距離dが小さいほど効果的である。したがって、付加音源S1 ,S2 が大きい場合や、熱などの影響で付加音源S1 ,S2 を音源Pに近付けることができない場合には、付加音源S1 ,S2 から放射された音をダクトやカバー等の案内手段で絞りながら案内し、放射口を音源Pに近付けることによって距離dを小さくすることが有効である。
【0030】
【実施例】
以下、図面を参照しながら実施例を説明する。
【0031】
図5には本発明の第1の実施例に係る能動消音装置が示されている。
【0032】
この能動消音装置は、適応制御方式を採用したもので、筐体21内の制御対象機器22の騒音と相関のある信号を検出して制御系への入力信号とするセンシング部23と、制御系の制御係数を時々刻々適応的に算出する制御係数算出部(A−FIR)24と、算出された制御係数と入力信号との積和演算を行いその結果を出力する制御係数積和演算部(FIR)25と、筐体21の開口部29を挟むように筐体外に配置され制御係数積和演算部25の出力を入力信号として開口部29から外部にむけて3次元的に放射される騒音と干渉する音を発生する2つのスピーカからなる付加音源26a,26bと、開口部29から放射される音と付加音源26a,26bから放射される音との和を検出して誤差信号とみなす誤差信号検出器としての評価用マイク27とから構成されている。この例では、制御係数演算部24と制御積和演算部25とで制御系28が構成されている。
【0033】
図5に示す装置では、評価用マイク27と、音源と見なされる開口部29(以後、音源29と呼ぶ場合もある)の中心と、各付加音源26a,26bの振動面とが音源29の振動面前方に描かれる正三角形の頂点に位置するように設定されている。そして、評価用マイク27の出力が最小となるように制御系28で各付加音源26a,26bが制御される。
【0034】
各構成部材をこのような配置にすると、(6) 式および(7) 式から音源29に対する付加音源26a,26bの位相が180度、体積速度比が1/2に近づき、音源29から涌き出した流体と同じ量だけ付加音源26a,26bで吸い込ませることができ、音源29から3次元的に放射される音響パワ―そのものを最小に抑えることができる。
【0035】
なお、図6に示す第2の実施例のように、機器22を開放空間に置くときは、開口部29の代わりに機器22の振動面が位置するように配置することによって図5の場合と同様の効果を得ることができる。図5および図6において、上述した条件を満たせば、付加音源は2個に限られるものではない。
【0036】
次に、図7を参照して第3の実施例について説明する。
【0037】
この第3の実施例に係る装置では、付加音源26a,26bの振動面を筐体21の開口部29の両側で、開口部29と同じ面上に位置させている。そして、評価用マイク27を2つの付加音源26a,26bの振動面から等距離に、かつ騒音と相関のある信号を検出できる範囲で音源である開口部29からできるだけ離れた位置に配置している。
【0038】
各構成部材をこのような配置にすると、評価用マイク27を開口部29、つまり音源29から離せば離すほど、図2および図3を用いて説明した(h1 −h2 )、(h1 −h3 )の差がなくなり、(6) 式および(7) 式から判るように、音源29に対して付加音源26a,26bの位相が180度ずれるので、前記実施例と同様に全音響パワーを低減できる。
【0039】
なお、図8に示す第4の実施例のように、機器22を開放空間に置くときは、筐体の開口部29の代わりに機器22の振動面が位置するように配置すれば上記装置の場合と同様の効果を得ることができる。
【0040】
また、図9に示す第5の実施例のように、一方の付加音源26aには制御係数算出部24aおよび制御係数積和演算部25aの回路を接続し、他方の付加音源26bには制御係数算出部24bおよび制御係数積和演算部25bの回路を接続し、このような制御系28により各付加音源26a,26bをそれぞれ別個独立に制御するようにしてもよい。
【0041】
また、図10に示す第6の実施例のように、付加音源26bと筐体21の開口部29との間に評価用マイク27を配置してもよい。特に、評価用マイク27を配置する位置は、図11に示すパワー分布図のうちパワーの最も低いマイナス10dBの等高線が横軸と交わる位置が最適である。
【0042】
この最適位置は、発明者らの検討によると付加音源までの距離をdとした場合に、約0.6dだけ離れた位置が該当する。なお、図11に示す例は、音源である開口部29から付加音源26a,26bまでの距離dが0.3 mの場合であり、評価用マイク27の最適位置は0.18m(=0.3 m×0.6 )となる。したがって、評価用マイク27を一方の付加音源26b(26a)と音源29との間に設ける場合は、音源29から0.18m離れた付近に評価用マイク27を配置するのがよい。
【0043】
このように評価用マイク27を付加音源26a,26bの振動面および音源29(筐体の開口部)の振動面と同一面内に設けても同様に能動消音することができる。
【0044】
図11および図12を参照しながら、上記配置の装置であっても能動消音することが可能になる理由について説明する。
【0045】
図11および図12は、横軸および縦軸に音の放射源からの距離をそれぞれとり、図11では図5,図7,図10に示す同期制御タイプ装置のパワー分布特性を示し、図12では図10に示す独立制御タイプ装置のパワー分布特性を示す。すなわち、図11および図12は、上記各タイプの装置において、周波数200Hz の条件下での音響パワー低下量をそれぞれ測定し、その結果のパワー変化量等高線を2dB の間隔で表示したものである。
【0046】
両図から明らかなように、音源29から評価用マイク27を離せば離すほどパワーが減少し、消音効果が増す。また、図11から明らかなように、付加音源26bの振動面と音源29の振動面とで挟まれた領域においても−10dB〜0dB となる部分が存在し、図10に示すような評価用マイクの置きかたによって消音効果を得ることができる。
【0047】
一方、図12から明らかなように、付加音源26bの振動面と音源29の振動面とで挟まれた領域には0dB 以下となる部分が存在しないので、図10に示すような評価用マイク27の置きかたによって消音効果を得ることはできない。したがって、図10に示す配置の装置は、同期制御の場合にのみに消音可能であり、独立制御の場合には消音することができない。
【0048】
図13には本発明の第7の実施例に係る能動消音装置が示されている。
【0049】
なお、この図では図5と同一部分が同一符号で示してある。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【0050】
この実施例は、機器22で発生した騒音がダクト30の開口部31から3次元的に放射される系を対象にし、開口部31から放射される音響パワーを低減させる例である。したがって、この系では結果的に開口部31が音源となるので、以後の説明では開口部31を音源と呼ぶ場合もある。
【0051】
先に図5〜図9を用いて説明した例では、音源31の両側に付加音源26a,26bを配置し、音源31の振動面の前方に評価用マイク27を配置しているが、この例では、図14にも示すように音源31の振動面の延長面上に付加音源26a,26bの振動面および評価用マイク27を位置させている。
【0052】
そして、この例においては、図14に示すように、ダクト30の半径方向外側で、評価用マイク27の中心と、音源31(ダクト出口)の振動面の中心32と、各付加音源26a,26bの振動面の中心とが正三角形の頂点にそれぞれ位置するように関係づけられている。
【0053】
各構成部材をこのような配置にすると、図5の例と同様に、音源31(ダクト出口)から湧き出した流体と同じ量だけ付加音源26a,26bで吸い込ませることができ、音源31から放射される騒音の音響パワ―を最小にできる。
【0054】
この配置における消音効果を図15を用いて説明する。
【0055】
図15(a) は音源31と付加音源26a,26bと間の距離をd=0.3 mに固定した状態で、評価用マイク27の位置による音響パワ―の低下量と周波数の関係を示している。図15(a) の横軸は評価用マイク27の位置を表す。音源31を原点にとり、単位はメ―トルである。ダクト出口によって構成される音源31はモノポ―ル音源となることから、ダクト出口の中心32が原点となる。また、縦軸は周波数を表す。そして、図中の等高線の数値は音響パワ―の低下量を示す。
【0056】
この図15(a) から判るように、音源から0.3 m離れた位置でパワ―が最も低下している。ちなみに、計算よるとこの場合、10Hzで約40dB,50Hzで約22dB,100Hz で約17dB,200Hz で約10dBの低減効果がある。評価用マイク27を音源と付加音源26a,26bとの間の距離d以上離して設置した場合では、10〜40Hz程度の低周波では良好な消音効果が得られないが、50Hzでは約15dBもの効果が得られることが判る。
【0057】
音源と付加音源との間の距離dを小さくするほど消音効果が向上する。
【0058】
図16(a) にはd=0.16mのときの音響パワ―の低下量分布を示す。
【0059】
この図から、評価用マイク27と音源31(ダクト出口)と各付加音源26a,26bの振動面とを正三角形の頂点にそれぞれ配置する構成では、dを小さくするほど、40Hz以下の低周波から700Hz 程度の高周波域まで音響パワーを低下させることができ、消音可能な周波数範囲を広げることが可能となる。
【0060】
なお、図17に示す第8の実施例のように、付加音源26a,26bを音源31(ダクト出口)の両側に配置し、評価用マイク27を2つの付加音源26a,26bの振動面から等距離に置き、かつ騒音と相関のある信号を検出できる範囲で、音源31からできるだけ離すように設置すると、図7および図8に示した例と同様に、図2および図3を用いて説明した(h1 −h2 )、(h1 −h3 )の差がなくなり、(6) 式および(7) 式から判るように、音源31に対して付加音源26a,26bの位相が180度ずれ、体積速度比が1/2に近づくので、ダクト出口から放射される騒音の全音響パワーを低減できる。この場合も、音源31と付加音源26a,26bとの間の距離dを小さくするほど効果が大きくなる。
【0061】
上記のように音源31と付加音源26a,26bとの間の距離dを小さくするほど大きな効果が得られるが、たとえばタービンの排ガス路のようなダクト構成の場合には、ダクトが高温であるため付加音源26a,26bをダクトに近付けることができない。また、付加音源26a,26bの寸法が大きい場合も同様なことがいえる。
【0062】
図18および図19には上述した問題を解決した第9の実施例が示されている。
【0063】
これらの図では図13と同一部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の説明は省略する。
【0064】
この例では、付加音源26a,26bから放射された音を案内路を構成するカバー部材33a,33bで絞り、この絞られた音をダクト出口31に近接した位置から放射させるようにしている。
【0065】
したがって、カバー部材33a,33bを設けることによって、付加音源26a,26bの振動面中心位置34から音源31の中心32までの距離d1 に比べて、実際の放射面中心位置35から音源31の中心32までの距離d2 (d2 <d1 )を短くすることが可能となり、付加音源の大きさを変更させることなしに、またダクト30が高温の場合であっても、良好な消音効果を得ることが可能となる。
【0066】
図20および図21には、本発明の第10の実施例に係る能動消音装置が示されている。
【0067】
これらの図では図13と同一部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の説明は省略する。
【0068】
この実施例ではダクト30の半径方向外側で、音源31(ダクト出口)の振動面を通る線上に、音源31を挟むように付加音源26a,26bを配置するとともに、上記線上に評価用マイク27を配置している。この例では、特に音源31の中心32と付加音源26a、26bとの間の距離をdとしたとき、音源31の中心32からx=0.6dだけ離れた位置に評価用マイク27を配置している。
【0069】
この配置における消音効果を図22,図23により説明する。
【0070】
図22は音源31の中心32と付加音源26a,26bとの間の距離を0.22mに固定させた状態での評価用マイク27の位置による音響パワ―の低下量と周波数との関係を示す。図23は横軸が評価用マイクの位置を示し、縦軸が周波数を示している。音源31の中心32(ダクト出口の中心)を原点にとっている。そして、図中の等高線の数値は音響パワ―の低下量を示す。
【0071】
評価用マイク27の設置範囲を付加音源26aの内側(X<d:但し、Xは音源中心から評価用マイクまでの距離)とした場合、この範囲では図24に示すように評価用マイク位置のわずかな違いにより位相、体積速度の変化が大きくなることから、位相が180度に、体積速度比が1/2に近づく状態は得られにくく、音響パワ―の変化も大きくなる。したがって、音響パワ―を大幅に低下させるための評価用マイク設置範囲はX/d=0.6 (0.13m)と狭くなる。しかし、うまくこの位置に評価用マイクを設置できれば、高周波帯域(C/2d)Hzまで消音が可能となる。ちなみに、100Hz では約22dB低下する。
【0072】
これに対して図28に示すように、評価用マイク設置範囲を付加音源26aより外側(X>d)とした場合、消音周波数は低周波帯域に限られるが、図24に示すように評価用マイク27を音源から離すほど、付加音源の位相が180度に、また図25に示すように体積速度比が1/2に近づくことから音響パワ―が低下し、位相、体積速度の変化量もゆるやかであることから、安定した消音効果が得られ、評価用マイク27の設置範囲を広くできることになる。
【0073】
図26および図27は音源(ダクト出口)から付加音源までの距離dを変えたときの評価用マイク位置の違いによる音響パワ―低下量の計算結果(音響パワ―が増加する領域は示していない。)であるが、dが小さくなるとパワ―低下量が大きくなり消音する周波数範囲も広がり、消音効果が向上することが判る。
【0074】
そこで、図18の場合と同様に、図29および図30に示す第11の実施例のように、付加音源26a,26bの周囲に案内路を構成するカバ―部材33a,33bを設置することにより、付加音源26a,26bの放射面中心34をカバ―部材33a,33bの出口35に変えることにより、音源31(ダクト出口)から付加音源放射面中心までの距離を短くすることが可能となり、消音効果をより向上させることが可能となる。
【0075】
図31および図32には、図29および図30に示す能動消音装置についての消音効果の実測例が示されている。
【0076】
実験に用いたダクトは内径250 mm、長さ1560mmである。ダクトの最奥部に設置された音源用スピ―カからランダム音(〜1kHz)を出力し、ダクト出口から3次元空間に放射される音に対して能動消音を実施した。ダクト出口をモノポ―ル音源の中心と仮定し、ダクト出口から半径方向両側にd=0.22m(d=0.3 m)離れた位置に付加音源であるアクティブスピ―カをそれぞれ設置し、Filtered−Xアルゴリズの適応制御を行った。消音効果は評価用マイクの音圧が十分に低下した後に、周囲に設置したモニタマイクの平均音圧レベル差で評価した。最適配置で効果があることを確認するため、評価用マイクをダクト出口とアクティブスピ―カを結ぶ線上に移動させ、制御前後の低減効果を測定した。
【0077】
図31はダクト出口から付加音源までの距離dが0.22mの場合、図32は距離dが0.3 mの場合である。両者を比較すると最適配置(X/d=0.6 )では距離dが小さいほうが、音圧の低下量も大きく、高い周波数まで低下していることが判る。100 〜500 Hzバンドの結果で比較するとd=0.22mのときは約6dB 、d=0.3 mのときは約3dB 低下した。
【0078】
一方、評価用マイク27をアクティブスピ―カの外側(X>d)に設置したときも同様に、計算上低下する100 〜200Hz バンドの低周波帯域(〜200Hz )では実測値も低下しており、d=0.22mの方が低下量も大きい結果を得た。
【0079】
これにより、ここに提案した能動消音装置の有効性を確認するとともに、ダクト出口から付加音源の放射面までの距離dを小さくすることで、消音効果を向上させることができることを確認できた。
【0080】
なお、上述した各実施例では、付加音源を2個用いているが、1つの音源に対して付加音源を2個以上のN個用い、1本の評価用マイクで適応制御を行うときにおいても本手法は有効である。
【0081】
すなわち、図1に示したように、音源Pの吹出し体積速度をAとすると、音源Pに対して180度(逆相)で、かつ吸い込み体積速度がA/Nとなるようにそれぞれの付加音源を制御すれば、音源Pから吹出した流体と同じ量だけN個の付加音源で吸い込むことができ、音響パワーを最小にすることができる。
【0082】
A=N・A/N (N=1,2,3,…)
1つの音源に対してN個の付加音源を付加することで、全体の音響パワーは、(1) 式のようになる。また、音源iの体積速度Aiは(2) 式のようになり、1本の評価用マイクで音源の合成音を検出し、この評価用マイクでの音圧を最小にするように制御を行い、付加音源の吸い込み体積速度と位相を変化させる。
【0083】
制御後の体積速度と位相は、(3) 式〜(5) 式で示され、音響パワーを低減させるには評価用マイク、付加音源等の配置が重要となる。
【0084】
(3) 式〜(5) 式から、評価用マイクおよび付加音源の配置の仕方により、適応制御後の付加音源の位相と体積速度とが決められるので、(1) 式にそれぞれの位相、体積速度を代入することで、この配置における全音響パワーが決定される。言いかえると、全音響パワーは評価用マイクおよび付加音源の位置の関数になることから、これらの設置方法をかえることで、全音響パワーをコントロールできることになる。
【0085】
この原理に基づき、N個の付加音源の位相が180度で、かつA/Nの吸い込み体積速度になるように評価用マイクおよび付加音源を配置することで、適応制御により騒音源の音響パワーを最小にでき、周囲全体を消音することが可能となる。
【0086】
なお、騒音源に対して位相が逆相で、かつA/Nの吸い込み体積速度となるように個々の付加音源を配置しなくても、騒音源の吹出し体積速度Aに対して付加音源の吸い込み体積速度の総和がAとなるように評価用マイクおよび付加音源を配置することで、騒音源の音響パワーを最小にできる。
【0087】
【発明の効果】
以上の説明したように、本発明によれば評価マイクの位置で音圧を零にするように決定された制御係数で同時に音源の音響パワーを最小にする制御が可能となり、音源から3次元的に伝播しようとする音響パワーそのものをアクティブに低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明装置の原理を説明するため図
【図2】本発明装置の原理を説明するため図
【図3】本発明装置の原理を説明するため図
【図4】本発明装置の原理を説明するため図
【図5】本発明の第1の実施例に係る能動消音装置のブロック構成図
【図6】本発明の第2の実施例に係る能動消音装置のブロック構成図
【図7】本発明の第3の実施例に係る能動消音装置のブロック構成図
【図8】本発明の第4の実施例に係る能動消音装置のブロック構成図
【図9】本発明の第5の実施例に係る能動消音装置のブロック構成図
【図10】本発明の第6の実施例に係る能動消音装置のブロック構成図
【図11】音の放射源を原点にとって近傍領域における音響パワーの分布状態を示すパワー分布特性図
【図12】音の放射源を原点にとって近傍領域における音響パワーの分布状態を示すパワー分布特性図
【図13】本発明の第7の実施例に係る能動消音装置のブロック構成図
【図14】図13においてH−H線に沿って矢印方向に見た概略図
【図15】同実施例においてd=0.3 mに設定したときの評価用マイク位置の違いによる消音効果の違いを示す図
【図16】同実施例においてd=0.16mに設定したときの評価用マイク位置の違いによる消音効果の違いを示す図
【図17】本発明の第8の実施例に係る能動消音装置の要部配置図
【図18】本発明の第9の実施例に係る能動消音装置のブロック構成図
【図19】図18においてI−I線に沿って矢印方向に見た概略図
【図20】本発明の第10の実施例に係る能動消音装置のブロック構成図
【図21】図20においてJ−J線に沿って矢印方向に見た概略図
【図22】同実施例において評価用マイク位置の違いによる消音効果の違いを示す図
【図23】同実施例において評価用マイク位置の違いによる消音効果の違いを示す図
【図24】同実施例において評価用マイク位置の違いによる音源に対する位相特性を示す図
【図25】同実施例において評価用マイク位置の違いによる体積速度比特性を示す図
【図26】同実施例においてd=0.22mに設定したときの評価用マイク位置の違いによる消音効果の違いを示す図
【図27】同実施例においてd=0.3 mに設定したときの評価用マイク位置の違いによる消音効果の違いを示す図
【図28】本発明の第11の実施例に係る能動消音装置の要部配置図
【図29】本発明の第12の実施例に係る能動消音装置のブロック構成図
【図30】図29においてK−K線に沿って矢印方向に見た概略図
【図31】図20および図28に示す装置の評価用マイク位置の違いによる消音効果の実測値を示す図
【図32】図20および図28に示す装置の評価用マイク位置の違いによる消音効果の実測値を示す図
【図33】従来のパッシブな消音処理の説明図
【図34】従来の能動消音装置の一例を示す図
【図35】従来の能動消音装置の別の例を示すブロック構成図
【図36】従来の能動消音装置における不具合例の説明図
【符号の説明】
21…制御対象機器 22…センシング部
23…制御係数算出部 24…制御係数積和演算部(A−FIR)
25…付加音源部(FIR) 26a,26b…付加音源
27…音検出手段としての評価用マイク 28…制御系
30…ダクト 31…ダクト開口部(音源)
32…音源の中心 33a,33b…カバー部材[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an active silencer that can actively reduce the acoustic power itself that is about to propagate three-dimensionally from a sound source.
[0002]
[Prior art]
The noise radiated from the openings of various devices and ducts often deteriorates the living environment and workplace environment. For this reason, various noise reduction measures are taken.
[0003]
Most commonly, as shown in FIG. 33, a passive method is adopted in which a
[0004]
For this reason, an active method has recently been adopted as shown in FIG. That is, in this method, the
[0005]
On the other hand, an active silencer as shown in FIG. 35 is known as a system for silencing noise radiated from the opening of a duct by an active method.
[0006]
That is, in the case of the air-
[0007]
The method of automatically determining the control coefficient so that the sound pressure approaches zero is called an “adaptive control system”, and is often used in an active silencing system for a duct structure in which sound propagates one-dimensionally. Thus, when sound propagates one-dimensionally, if the sound is reflected by creating a point with zero sound pressure, the object can be achieved without propagating downstream.
[0008]
By the way, in the active silencer shown in FIGS. 34 and 35, it is necessary to attach a speaker and an evaluation microphone to the inside of the casing or the duct. However, a speaker or an evaluation microphone cannot be mounted inside an existing facility or an exhaust duct of a gas turbine that is subjected to severe thermal conditions.
[0009]
Therefore, for such equipment, for example, it is conceivable to perform active silencing by attaching a speaker or an evaluation microphone outside the opening of the exhaust duct.
[0010]
However, in this case, the sound to be muffled is not a sound that propagates one-dimensionally, but a sound that propagates three-dimensionally to an open space using the opening as a sound source. For this reason, making the sound zero at the position of the evaluation microphone does not necessarily reduce the overall noise. For example, assume that an
[0011]
As described above, in the conventional active silencer, there is a problem that the sound that is three-dimensionally propagated from the sound source can be silenced only locally, and the noise cannot be reduced over the whole.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional active silencer, a good silencing effect can be obtained under the condition that the sound is propagated one-dimensionally. There was a problem that could not be done.
[0013]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an active silencer that can actively reduce the acoustic power itself that is about to propagate three-dimensionally from a sound source.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in an active silencer according to an example of the present invention, a plurality of additional sound sources for radiating sound that interferes with sound radiated three-dimensionally from a sound source, and radiation from the sound source. Sound detection means provided in a space through which the transmitted sound is transmitted, and control means for controlling each additional sound source to minimize the output of the sound detection means, each additional sound source and the sound detection means, The sound source, the additional sound source, and the sound detection means are arranged at respective vertices of an equilateral triangle.
[0015]
[Action]
In the active silencer according to an example of the present invention, a plurality of, for example, two additional sound sources are provided, and consideration is given to the relative positions of these additional sound sources, sound detection means, and sound sources.
[0016]
Now, as shown in FIG. 1, N additional sound sources S for one sound source P1, S2, ... SNConsider reducing the overall acoustic power by adding.
[0017]
All sound power after addition WallIs as follows.
[0018]
[Expression 1]
However, the N + 1 sound sources are all breathing spheres in the field of acoustics, that is, monopole sound sources. (1) In the formula, RijIs radiation resistance, Vi, ΘiRepresents the vibration speed and phase of the sound source i.
[0019]
The sound intensity of the sound source i, that is, the volume velocity is AiThen,
Ai= 4 πri 2| Vi| (Ri: Vibration radius) (2)
Therefore, all sound power WallIt can be seen that changes depending on the volume velocity (amplitude) and phase of each sound source.
[0020]
Therefore, the sound detection means (evaluation microphone) installed in the space detects the synthesized sound of the sound source, performs control to minimize the sound pressure at this sound detection means, and the volume velocity and phase of each additional sound source To change.
[0021]
Since the volume velocity and phase after the control are determined by the following equations (3), (4), and (5), as shown in FIG. 2, the acoustic power of the entire periphery of the sound source P is reduced. Is sound detection means M and each additional sound source S1, S2, ... SNIt can be seen that the arrangement of is important.
[0022]
[Expression 2]
Where ρ: air density, ω: angular frequency, hi: Distance from i-th additional sound source to sound detection means M, k: wave number, θi: I-th additional sound source phase, θ1: The phase of the sound source P.
[0023]
Therefore, as shown in FIG. 3, the two additional sound sources S1, S2Let's think about the case of providing.
[0024]
Now, two additional sound sources S1, S2Are in phase and are arranged equidistant from the sound source P, the additional sound source S relative to the sound source P1, S2The phase θ and the volume velocity ratio α (A2 / A1) are expressed by the following equations.
[0025]
[Equation 3]
Therefore, the acoustic power decrease amount η (dB) after control is expressed by the following equation.
[0026]
[Expression 4]
In the active silencer according to one example of the present invention, for example, as shown in FIG.1, S2Since the sound detection means M are arranged so as to be located, when the above-described control is performed, the additional sound source S for the sound source P is obtained from the equations (6) and (7).1, S2The phase of the additional sound source S is 180 degrees, the volume velocity ratio approaches 1/2, and the amount of the additional sound source S is the same as the fluid spouted from the sound source P.1, S2The sound power radiated from the sound source P itself can be minimized.
[0027]
As shown in FIG. 4B, the additional sound source S is provided on both sides of the sound source P.1, S2, And a sufficient distance from the sound source P and the additional sound source S1, S2Distance h from the sound source P to the sound detection means M1And additional sound source S1, S2Distance h from sound detection means M2, H3Since the difference between and (0) approaches zero, (h) in (6) and (7)1-H2) And (h1-H3) Term can be brought close to zero. Therefore, in this case as well, if the above-described control is performed, the additional sound source S with respect to the sound source P will be described.1, S2The phase of the additional sound source S is 180 degrees, the volume velocity ratio approaches 1/2, and the amount of the additional sound source S is the same as the fluid spouted from the sound source P.1, S2The sound power radiated from the sound source P can be sufficiently reduced.
[0028]
Further, according to experiments, as shown in FIG. 4C, the additional sound source S is separated from the sound source P by a distance d on a line passing through the sound source P on both sides of the sound source P.1, S2And the sound radiated from the sound source P even if the above-described control is performed by arranging the sound detection means M at the position of x = 0.6 d away from the sound source P on the same line or at the position of x> d. Power itself can be reduced.
[0029]
4A, 4B, and 4C, as will be described later, the sound source P and the additional sound source S are used.1, S2The smaller the distance d between the two, the more effective. Therefore, the additional sound source S1, S2Additional sound source S due to large heat or heat1, S2Cannot be brought close to the sound source P, the additional sound source S1, S2It is effective to reduce the distance d by guiding the sound radiated from the sound source with a guide means such as a duct or a cover, and bringing the radiation port close to the sound source P.
[0030]
【Example】
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
[0031]
FIG. 5 shows an active silencer according to the first embodiment of the present invention.
[0032]
This active silencer employs an adaptive control method, and includes a
[0033]
In the apparatus shown in FIG. 5, the
[0034]
If each component is arranged in such a manner, the phase of the
[0035]
When the
[0036]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG.
[0037]
In the apparatus according to the third embodiment, the vibration surfaces of the
[0038]
When the constituent members are arranged in this way, the
[0039]
When the
[0040]
Further, as in the fifth embodiment shown in FIG. 9, one additional
[0041]
Further, as in the sixth embodiment shown in FIG. 10, the
[0042]
According to the study by the inventors, this optimum position corresponds to a position separated by about 0.6 d, where d is the distance to the additional sound source. In the example shown in FIG. 11, the distance d from the
[0043]
As described above, even when the
[0044]
With reference to FIG. 11 and FIG. 12, the reason why the apparatus having the above arrangement can be actively silenced will be described.
[0045]
11 and 12 show the distance from the sound radiation source on the horizontal axis and the vertical axis, respectively, and FIG. 11 shows the power distribution characteristics of the synchronous control type device shown in FIGS. 5, 7, and 10. Then, the power distribution characteristic of the independent control type apparatus shown in FIG. 10 is shown. That is, FIG. 11 and FIG. 12 respectively show the amount of decrease in acoustic power under the condition of a frequency of 200 Hz in each of the above-mentioned types of devices, and display the resulting power change amount contour lines at intervals of 2 dB.
[0046]
As is clear from both figures, as the
[0047]
On the other hand, as is clear from FIG. 12, there is no portion of 0 dB or less in the region sandwiched between the vibration surface of the additional
[0048]
FIG. 13 shows an active silencer according to a seventh embodiment of the present invention.
[0049]
In this figure, the same parts as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals. Therefore, detailed description of overlapping parts is omitted.
[0050]
In this embodiment, a system in which noise generated in the
[0051]
In the example described above with reference to FIGS. 5 to 9, the
[0052]
In this example, as shown in FIG. 14, outside the radial direction of the
[0053]
When each component is arranged in this manner, the
[0054]
The silencing effect in this arrangement will be described with reference to FIG.
[0055]
FIG. 15 (a) shows the relationship between the amount of decrease in acoustic power due to the position of the
[0056]
As can be seen from FIG. 15 (a), the power decreases most at a position 0.3 m away from the sound source. By the way, according to the calculation, there is a reduction effect of about 40 dB at 10 Hz, about 22 dB at 50 Hz, about 17 dB at 100 Hz, and about 10 dB at 200 Hz. When the
[0057]
As the distance d between the sound source and the additional sound source is decreased, the silencing effect is improved.
[0058]
FIG. 16 (a) shows a decrease amount distribution of acoustic power when d = 0.16 m.
[0059]
From this figure, in the configuration in which the
[0060]
As in the eighth embodiment shown in FIG. 17, the
[0061]
As described above, the smaller the distance d between the
[0062]
FIGS. 18 and 19 show a ninth embodiment which solves the above-described problem.
[0063]
In these drawings, the same parts as those in FIG. 13 are denoted by the same reference numerals. Therefore, the description of the overlapping part is omitted.
[0064]
In this example, the sound radiated from the
[0065]
Therefore, by providing the
[0066]
20 and 21 show an active silencer according to a tenth embodiment of the present invention.
[0067]
In these drawings, the same parts as those in FIG. 13 are denoted by the same reference numerals. Therefore, the description of the overlapping part is omitted.
[0068]
In this embodiment, the
[0069]
The silencing effect in this arrangement will be described with reference to FIGS.
[0070]
FIG. 22 shows the relationship between the amount of decrease in acoustic power due to the position of the
[0071]
When the installation range of the
[0072]
On the other hand, as shown in FIG. 28, when the evaluation microphone installation range is outside the additional
[0073]
FIG. 26 and FIG. 27 show the calculation results of the amount of decrease in acoustic power due to the difference in the microphone position for evaluation when the distance d from the sound source (duct outlet) to the additional sound source is changed (the region where the acoustic power increases is not shown). However, it can be seen that as d decreases, the power reduction amount increases and the frequency range for silencing increases and the silencing effect improves.
[0074]
Therefore, as in the case of FIG. 18, as in the eleventh embodiment shown in FIGS. 29 and 30,
[0075]
31 and 32 show actual measurement examples of the silencing effect for the active silencer shown in FIGS. 29 and 30. FIG.
[0076]
The duct used for the experiment has an inner diameter of 250 mm and a length of 1560 mm. A random sound (˜1 kHz) was output from a sound source speaker installed at the innermost part of the duct, and active muffling was performed on the sound radiated from the duct exit to the three-dimensional space. Assuming that the duct exit is the center of the monopole sound source, active speakers as additional sound sources are installed at positions d = 0.22 m (d = 0.3 m) on both sides in the radial direction from the duct exit, Adaptive control of the Filtered-X algorithm was performed. The silencing effect was evaluated by the difference in the average sound pressure level of the monitor microphones installed in the surroundings after the sound pressure of the evaluation microphone was sufficiently reduced. In order to confirm that the optimal placement was effective, the evaluation microphone was moved on the line connecting the duct outlet and the active speaker, and the reduction effect before and after the control was measured.
[0077]
FIG. 31 shows a case where the distance d from the duct outlet to the additional sound source is 0.22 m, and FIG. 32 shows a case where the distance d is 0.3 m. Comparing the two, it can be seen that in the optimum arrangement (X / d = 0.6), the smaller the distance d, the larger the amount of decrease in sound pressure, and the lower the frequency. Comparing the results in the band of 100 to 500 Hz, it was about 6 dB lower when d = 0.22 m and about 3 dB lower when d = 0.3 m.
[0078]
On the other hand, when the
[0079]
Thereby, while confirming the effectiveness of the active silencer proposed here, it was confirmed that the silencing effect could be improved by reducing the distance d from the duct outlet to the radiation surface of the additional sound source.
[0080]
In each of the embodiments described above, two additional sound sources are used. However, when two or more N additional sound sources are used for one sound source and adaptive control is performed with one evaluation microphone. This method is effective.
[0081]
That is, as shown in FIG. 1, when the volume velocity of the sound source P is A, each additional sound source is 180 degrees (reverse phase) with respect to the sound source P and the suction volume velocity is A / N. Can be sucked by the N additional sound sources by the same amount as the fluid blown from the sound source P, and the acoustic power can be minimized.
[0082]
A = N · A / N (N = 1, 2, 3, ...)
By adding N additional sound sources to one sound source, the overall sound power is expressed by equation (1). Further, the volume velocity Ai of the sound source i is expressed by the following equation (2), and the synthesized sound of the sound source is detected with one evaluation microphone, and control is performed so as to minimize the sound pressure with this evaluation microphone. The suction volume velocity and phase of the additional sound source are changed.
[0083]
The volume velocity and phase after the control are expressed by the equations (3) to (5), and the arrangement of the evaluation microphone, the additional sound source, etc. is important for reducing the acoustic power.
[0084]
(3) From Formula (5) to Formula (5), the phase and volume velocity of the additional sound source after adaptive control are determined depending on the arrangement of the evaluation microphone and the additional sound source. By substituting velocity, the total acoustic power in this arrangement is determined. In other words, since the total acoustic power is a function of the position of the evaluation microphone and the additional sound source, the total acoustic power can be controlled by changing these installation methods.
[0085]
Based on this principle, by arranging the evaluation microphone and the additional sound source so that the phase of the N additional sound sources is 180 degrees and the suction volume velocity is A / N, the acoustic power of the noise source is controlled by adaptive control. It can be minimized and the entire periphery can be silenced.
[0086]
It should be noted that the suction of the additional sound source with respect to the blowing volume velocity A of the noise source is not required even if the individual additional sound sources are arranged so that the phase is opposite to that of the noise source and the suction volume velocity is A / N. By arranging the evaluation microphone and the additional sound source so that the sum of the volume velocities becomes A, the acoustic power of the noise source can be minimized.
[0087]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to control the sound power of the sound source to be minimized simultaneously with the control coefficient determined to make the sound pressure zero at the position of the evaluation microphone. It is possible to actively reduce the sound power itself that is going to propagate to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the device of the present invention;
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the device of the present invention;
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the device of the present invention;
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of the device of the present invention;
FIG. 5 is a block diagram of an active silencer according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram of an active silencer according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram of an active silencer according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram of an active silencer according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram of an active silencer according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a block diagram of an active silencer according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a power distribution characteristic diagram showing a state of distribution of acoustic power in the vicinity region with the sound radiation source as the origin.
FIG. 12 is a power distribution characteristic diagram showing the distribution state of acoustic power in the vicinity region with the sound radiation source as the origin.
FIG. 13 is a block diagram of an active silencer according to a seventh embodiment of the present invention.
14 is a schematic view in the direction of the arrow along the line HH in FIG.
FIG. 15 is a diagram showing the difference in the silencing effect due to the difference in the evaluation microphone position when d = 0.3 m is set in the embodiment.
FIG. 16 is a diagram showing the difference in the silencing effect due to the difference in the evaluation microphone position when d = 0.16 m is set in the same example.
FIG. 17 is a layout of the main part of an active silencer according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a block diagram of an active silencer according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a schematic view in the direction of the arrow along the line II in FIG.
FIG. 20 is a block diagram of an active silencer according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a schematic view taken in the direction of the arrow along the line JJ in FIG. 20;
FIG. 22 is a diagram showing the difference in the silencing effect due to the difference in the evaluation microphone position in the same example.
FIG. 23 is a diagram showing the difference in the silencing effect due to the difference in the evaluation microphone position in the same example.
FIG. 24 is a diagram showing phase characteristics with respect to a sound source according to a difference in evaluation microphone position in the same example;
FIG. 25 is a diagram showing volume velocity ratio characteristics depending on the evaluation microphone position in the same example;
FIG. 26 is a diagram showing the difference in the silencing effect due to the difference in the evaluation microphone position when d = 0.22 m is set in the embodiment.
FIG. 27 is a diagram showing the difference in the silencing effect due to the difference in the evaluation microphone position when d = 0.3 m is set in the embodiment.
FIG. 28 is a layout of the main part of an active silencer according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a block diagram of an active silencer according to a twelfth embodiment of the present invention.
30 is a schematic view in the direction of the arrow along the line KK in FIG. 29;
FIG. 31 is a diagram showing measured values of the silencing effect due to the difference in the evaluation microphone position of the apparatus shown in FIG. 20 and FIG. 28;
FIG. 32 is a diagram showing measured values of the silencing effect due to the difference in the evaluation microphone position of the apparatus shown in FIG. 20 and FIG. 28;
FIG. 33 is an explanatory diagram of a conventional passive silencing process.
FIG. 34 is a diagram showing an example of a conventional active silencer
FIG. 35 is a block diagram showing another example of a conventional active silencer.
FIG. 36 is an explanatory diagram of a failure example in the conventional active silencer.
[Explanation of symbols]
21 ... Controlled
23 ... Control
25 ... Additional sound source section (FIR) 26a, 26b ... Additional sound source
27 ... Evaluation microphone as sound detection means 28 ... Control system
30 ...
32 ... Center of
Claims (5)
前記音源から放射された音が伝わる空間に設けられる音検知手段と、
この音検知手段の出力を最小にすべく前記各付加音源を制御する制御手段とを備え、
前記各付加音源と前記音検知手段とは、正三角形の各頂点に前記音源、上記付加音源、上記音検知手段がそれぞれ位置するように配置されていることを特徴とする能動消音装置。A plurality of additional sound sources for radiating sound having the same phase and interfering with sound radiated three-dimensionally from the sound source;
Sound detection means provided in a space through which the sound emitted from the sound source is transmitted;
Control means for controlling each additional sound source to minimize the output of the sound detection means,
Each of the additional sound sources and the sound detection means is arranged so that the sound source, the additional sound source, and the sound detection means are positioned at each vertex of an equilateral triangle, respectively.
前記音源から放射された音が伝わる空間に設けられる音検知手段と、
この音検知手段の出力を最小にすべく前記付加音源を制御する制御手段とを備え、
前記音源と前記各付加音源との間の距離がそれぞれほぼ一定の値dに設定され、前記各付加音源と前記音検出手段との間の距離がそれぞれほぼ一定の値hに設定され、かつ前記音源と前記音検出手段との間の距離が、前記値hと等しく設定されていることを特徴とする能動消音装置。A plurality of additional sound sources for radiating sound having the same phase with each other and being arranged around the sound source to interfere with the sound emitted three-dimensionally from the sound source;
Sound detection means provided in a space through which the sound emitted from the sound source is transmitted;
Control means for controlling the additional sound source to minimize the output of the sound detection means,
The distance between the sound source and each additional sound source is set to a substantially constant value d, the distance between each additional sound source and the sound detecting means is set to a substantially constant value h, and An active silencer, wherein a distance between a sound source and the sound detection means is set equal to the value h.
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